(57)【要約】【課題】  直径が例えば１〜３ｍの大型セグメントレンズやミラーを、高精度に計測し研磨でき、かつ製造コストを比較的低く抑えることができる大型光学素子の計測研磨装置及び方法を提供する。【解決手段】  被研磨面２を上向きにして大型光学素子１をほぼ水平に保持する素子位置決め装置１０と、被研磨面の目標値からの誤差を非接触で計測する非接触計測装置２０と、被研磨面に沿って移動し被研磨面を部分的に研磨する自走研磨装置３０と、非接触計測装置の計測結果に基づき自走研磨装置に研磨位置を指令する研磨制御装置４０とを備え、被研磨面を計測しながら研磨する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被研磨面を上向きにして大型光学素子をほぼ水平に保持する素子位置決め装置と、
前記被研磨面の目標値からの誤差を非接触で計測する非接触計測装置と、
前記被研磨面に沿って移動し被研磨面を部分的に研磨する自走研磨装置と、
非接触計測装置の計測結果に基づき自走研磨装置に研磨位置を指令する研磨制御装置とを備え、被研磨面を計測しながら研磨する、ことを特徴とする大型光学素子の計測研磨装置。
【請求項２】
前記非接触計測装置は、素子位置決め装置に下端が固定され、被研磨面の上方からレーザー光を用いて被研磨面を計測する干渉計測装置である、ことを特徴とする請求項１に記載の大型光学素子の計測研磨装置。
【請求項３】
前記自走研磨装置は、被研磨面を部分的に研磨する研磨ツールと、該研磨ツールを昇降させるツール昇降装置と、該ツール昇降装置を所望の位置に移動させる被研磨面上を移動可能な自走台車と、研磨ツールによる研磨位置を非接触で受発信する受発信装置とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の大型光学素子の計測研磨装置。
【請求項４】
前記研磨ツールは、ツール昇降装置に昇降可能かつ揺動可能に取り付けられた剛性の高い剛体部材と、被研磨面に追従可能な下面を有する可撓性の薄肉研磨部材と、剛体部材と薄肉研磨部材の間に挟持され内部に粘弾性媒体を内蔵する弾性容器とからなる、ことを特徴とする請求項３に記載の大型光学素子の計測研磨装置。
【請求項５】
前記研磨ツールは、ツール昇降装置に取り付けられた磁場発生部材と、該磁場発生部材と被研磨面の間に介在する磁性研磨剤とからなる、ことを特徴とする請求項３に記載の大型光学素子の計測研磨装置。
【請求項６】
被研磨面を上向きにして大型光学素子をほぼ水平に保持する素子位置決めステップと、
前記被研磨面の目標値からの誤差を非接触で計測する非接触計測ステップと、
前記被研磨面を部分的に研磨する部分研磨ステップと、
非接触計測ステップの計測結果に基づき部分研磨ステップの研磨位置を決定する研磨制御ステップとを備え、被研磨面を計測しながら研磨する、ことを特徴とする大型光学素子の計測研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型光学素子を高精度に計測し研磨する計測研磨装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球外から降り注ぐ光（特に赤外光）を観測することにより、その光の強度、波長、エネルギー等を計測することにより、光や宇宙の起源、その光を発する天体の解析、距離の特定、イメージング、宇宙空間における生体材料の合成等の反応の特定等による地球型惑星探査等の情報を入手できる。
【０００３】
このような観測を目的として、「すばる望遠鏡」が既に製作され、米国ハワイ州に設置されている。「すばる望遠鏡」は、直径約８．２ｍの大型の主鏡（ミラー）を備えた反射望遠鏡である。この主鏡は、複数のガラス製ミラーを溶着して一体化し、これを大型の研磨装置で仕上げたものである。しかし、かかる製造手段では、温度変化の少ない大型加工室（例えば深い地中）を必要とし、加工に長期間を必要とする問題点があった。
【０００４】
なお、大型の光学素子（例えば反射ミラー）の加工手段として、特許文献１〜３が従来から提案されていた。
また、非球面計測を非接触で行う手段として、ホログラム干渉が従来から知られている（例えば、非特許文献２、３）。
【０００５】
近年、口径が３０ｍを超える大口径望遠鏡が各国で計画されている。例えば、欧州では、口径５０ｍと１００ｍの２つのプロジェクト、米国では口径３０ｍのプロジェクトがそれぞれ進行している（非特許文献１）。また我国でも、口径３０ｍ前後の大口径望遠鏡プロジェクトが検討されている。
【０００６】
【非特許文献１】Ｐａｕｌ  Ｓｈｏｒｅ，"Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｅｇｍｅｎｔｓ  ｆｏｒ  Ｅｘｔｒａ  Ｌａｒｇｅ  Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅｓ"，  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｏｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｓｅｎｓｏｒｓ，  ｐｐ．２５−３０  ２００３．
【非特許文献２】天神林  孝二、「ホログラム干渉計」、光技術コンタクト、Ｖｏ．２５．  Ｎｏ．１０  （１９８７）．
【非特許文献３】谷田貝  豊彦、「計算機ホログラムによる非球面計測」
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３５３６４８号公報、「大口径工作物のＥＬＩＤ鏡面研削装置及び方法」
【特許文献２】特開２００２−１１６５６号公報、「大型超精密非球面の加工測定装置及び方法」
【特許文献３】国際公開ＷＯ０３／０４７８３３Ａ１、「大型湾曲両面フレネルレンズの製造方法および装置」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した口径が３０ｍを超える大口径望遠鏡に用いる光学素子（例えば主鏡（ミラー））は、直径が例えば１〜３ｍのセグメントレンズを多数組み合わせて構成することが検討されている。各セグメントレンズは、熱膨張の影響を低減するため、熱膨張率の極めて小さい特殊ガラス（例えば、ドイツ、ショット社の「ゼロヂュア」（登録商標））を用い、それぞれ分離したまま独立に配置される。
【０００９】
しかし、このように構成する場合であっても、セグメントレンズの形状を長径１ｍの六角形にした場合、口径３０ｍの場合で、約３０×３０＝９００個以上のセグメントレンズを必要とする。
「すばる望遠鏡」の場合、直径約８．２ｍの主鏡の製作に数カ月を要している。また、長径１ｍの六角形セグメントレンズを、特許文献１〜３の手段で製造しても、研削から、研磨及び計測が完了するまでには少なくとも１週間は必要であり、９００個以上のセグメントレンズの製作に９００週間＝１７年以上を要することになる。
また、長径１ｍの六角形セグメントレンズを加工可能な大型研削装置は、数億円の製造コストを要するので、例えば製作年数を２年程度に短縮しようとする場合大型研削装置を１０数台製造するために、数１０億円の費用を要するため、実現可能性が低い。
そこで、１台または数台の大型研削装置で、セグメントレンズの研削（例えばＥＬＩＤ研削）までを高能率に実施し、研磨及び計測を安価な多数の大型研磨計測装置を同時並行して用いて行うことが検討されている。
【００１０】
本発明はかかる要望を満たすために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、直径が例えば１〜３ｍの大型セグメントレンズやミラーを、高精度に計測し研磨でき、かつ製造コストを比較的低く抑えることができる大型光学素子の計測研磨装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、被研磨面を上向きにして大型光学素子をほぼ水平に保持する素子位置決め装置と、
前記被研磨面の目標値からの誤差を非接触で計測する非接触計測装置と、
前記被研磨面に沿って移動し被研磨面を部分的に研磨する自走研磨装置と、
非接触計測装置の計測結果に基づき自走研磨装置に研磨位置を指令する研磨制御装置とを備え、被研磨面を計測しながら研磨する、ことを特徴とする大型光学素子の計測研磨装置が提供される。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記非接触計測装置は、素子位置決め装置に下端が固定され、被研磨面の上方からレーザー光を用いて被研磨面を計測する干渉計測装置である。
【００１３】
また、前記自走研磨装置は、被研磨面を部分的に研磨する研磨ツールと、該研磨ツールを昇降させるツール昇降装置と、該ツール昇降装置を所望の位置に移動させる被研磨面上を移動可能な自走台車と、研磨ツールによる研磨位置を非接触で受発信する受発信装置とからなる。
【００１４】
前記研磨ツールは、ツール昇降装置に昇降可能かつ揺動可能に取り付けられた剛性の高い剛体部材と、被研磨面に追従可能な下面を有する可撓性の薄肉研磨部材と、剛体部材と薄肉研磨部材の間に挟持され内部に粘弾性媒体を内蔵する弾性容器とからなる、ことが好ましい。
【００１５】
また、前記研磨ツールは、ツール昇降装置に取り付けられた磁場発生部材と、該磁場発生部材と被研磨面の間に介在する磁性研磨剤とからなる、ことが好ましい。
【００１６】
また本発明によれば、被研磨面を上向きにして大型光学素子をほぼ水平に保持する素子位置決めステップと、
前記被研磨面の目標値からの誤差を非接触で計測する非接触計測ステップと、
前記被研磨面を部分的に研磨する部分研磨ステップと、
非接触計測ステップの計測結果に基づき部分研磨ステップの研磨位置を決定する研磨制御ステップとを備え、被研磨面を計測しながら研磨する、ことを特徴とする大型光学素子の計測研磨方法が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
上記本発明の装置及び方法によれば、素子位置決め装置と非接触計測装置（例えば干渉計測装置）を備えるので、素子位置決めステップと非接触計測ステップにおいて、大型光学素子の被研磨面を上向きにしてほぼ水平に保持し、被研磨面の目標値からの誤差を非接触で計測することができ、直径が大型のセグメントレンズやミラーであっても、短時間に高精度に計測することができる。
また、自走研磨装置と研磨制御装置を備えるので、部分研磨ステップと研磨制御ステップにおいて、非接触計測装置の計測結果に基づき研磨位置を決定して自走研磨装置に研磨位置を指令し、自走研磨装置を被研磨面に沿って移動して被研磨面を部分的に研磨することができ、被研磨面を計測しながら高精度に研磨することができる。なお、研磨剤により計測精度が低下する場合には、計測と研磨を交互に行ってもよい。
さらにこれらの装置は、直径が例えば１〜３ｍの大型光学素子であっても、大型かつ高精度を必要とする数値制御用のガイドやセンサを必要としないので、製造コストを比較的低く抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
以下の例において、大型光学素子１は、例えば口径が３０ｍを超えるような反射ミラーを構成するセグメントミラーである。各セグメントミラーは、直径が例えば１〜３ｍの六角形ミラーであり、その反射面は、全体で反射ミラーを構成するようにそれぞれ異なる非球面に予めＥＬＩＤ研削等を用いた大型研削装置で研削加工される。
各セグメントミラーに要求される非球面形状は、反射ミラーの中心からの距離によって異なり、口径が３０ｍの反射ミラーを直径が１ｍの六角形ミラーで構成する場合、約３０種となる。
ＥＬＩＤ法と超精密／ナノ精密・大型研削装置および機上計測法を融合した先進研削技術により、３０ｃｍ以上の大型光学素子が、ナノレベルの粗さ、サブミクロンの形状精度で能率良く加工でき、必要な種類、枚数のセグメントミラーを短期に研削加工できる。
本発明の前加工として、ＥＬＩＤ研削による超精密研削が有力かつ有効であるが、粗さおよび形状の精度の改善とともに、研削による加工ダメージはゼロにはならないため、そのダメージを極限にまで低減させる必要があることから、本発明による研磨プロセスが極めて重要なものとなる。特に、研削ダメージが残留した状態では、天体望遠鏡等の使用環境において、研削ダメージが（振動や温度変化等による経年変化により）少しずつ進展する懸念があり、本発明は重要なものとなる。
このように予め非球面形状に研削加工された大型光学素子１（セグメントミラー）の反射面２を、以下「被研磨面」と呼ぶ。
【００１９】
図１は、本発明による大型光学素子計測研磨装置の全体構成図である。この図において、本発明の大型光学素子計測研磨装置は、素子位置決め装置１０、非接触計測装置２０、自走研磨装置３０、及び研磨制御装置４０を備える。
【００２０】
素子位置決め装置１０は、上述した被研磨面２を上向きにして大型光学素子１をほぼ水平に保持する。また、前工程である研削加工（例えばＥＬＩＤ研削）において、研削装置上にそのまま搭載し、回転、割り出し、揺動などの動作も加えながら、被研磨面２の研削作業を行うことができ、研削作業後は研削装置から取り外し、自立して使用できる。
非接触計測装置２０は、素子位置決め装置１０に下端が固定され、被研磨面２の上方からレーザー光３を用いて被研磨面２を計測する干渉計測装置であり、被研磨面２の目標値からの誤差を非接触で計測する。
自走研磨装置３０は、被研磨面２に沿って移動し被研磨面２を部分的に研磨する。
研磨制御装置４０は、非接触計測装置２０の計測結果に基づき自走研磨装置３０に研磨位置を指令する。
【００２１】
図２は、本発明による非接触計測装置の全体構成図である。この図に示すように、非接触計測装置２０は、干渉計測装置であり、レーザー装置２１、照射光学系２２、参照素子２３、反射光学系２４、干渉縞観測装置２５、等を備える。
レーザー装置２１でレーザー光３を発振し、照射光学系２２でレーザー光３を被研磨面２に向けて照射し、その反射光４を反射光学系２４で干渉縞観測装置２５に結像させる。参照素子２３は、参照面を有するレンズ、または計算機ホログラムであり、干渉縞観測装置２５で被研磨面２の目標値からの誤差に対応する干渉縞５を観測するようになっている。
【００２２】
この例において、参照素子２３は、参照面を有するレンズであり、図示しないピエゾ装置により位置を微調整できるようになっている。
また、干渉縞観測装置２５は、ＣＣＤとモニターからなり、その観測画像を研磨制御装置４０に入力する。
【００２３】
研磨制御装置４０は、画像処理プログラムを記憶した演算装置（例えばコンピュータ）であり、入力された観測画像を処理して、被研磨面２の目標値からの誤差を演算し、誤差が大きい位置を研磨位置として自走研磨装置３０に指令する。
【００２４】
図３は、本発明による自走研磨装置の全体構成図である。  この図において、自走研磨装置３０は、研磨ツール３２、ツール昇降装置３４、自走台車３６及び受発信装置３８からなる。
研磨ツール３２は、ツールモータ３３により軸心を中心に回転し、被研磨面２を部分的に研磨する機能を有する。
ツール昇降装置３４は、自走台車３６に鉛直もしくは研磨ツールの回転中心が被研磨面２に所定の角度で接触するように取付けられたアクチュエータ（例えば空圧シリンダ）であり、研磨ツール３２を昇降する機能を有する。
自走台車３６は、例えば１対のクローラ装置３６ａとその操縦装置（図示せず）を備え、被研磨面２の上を走行して移動し、ツール昇降装置３２を所望の位置に移動させる。
【００２５】
受発信装置３８は、例えば、研磨ツールの研磨位置近傍に設置された無線発信器であり、研磨ツールによる研磨位置を非接触で検出する。
自走研磨装置３０は、受発信装置３８が検出する信号（例えば無線ＬＡＮ等に使用される電波もしくは赤外線や超音波）を得る複数のセンサ（図示せず）を有し、検出された信号から研磨ツールによる研磨位置を非接触で検出するとともに、研磨制御装置からの指令値と照合しながら、そのデータを基に自走研磨装置３０を制御するようになっている。
【００２６】
上述した装置を用い、本発明の方法は、素子位置決めステップ、非接触計測ステップ、部分研磨ステップおよび研磨制御ステップからなる。各ステップはこの順で行うのが好ましいが、必要に応じて、順を変えても、繰り返してもよい。
素子位置決めステップでは、被研磨面を上向きにして大型光学素子をほぼ水平に保持する。
非接触計測ステップでは、前記被研磨面の目標値からの誤差を非接触で計測する。
部分研磨ステップでは、前記被研磨面を部分的に研磨する。
研磨制御ステップでは、非接触計測ステップの計測結果に基づき部分研磨ステップの研磨位置を決定する。
【００２７】
図４は、本発明による研磨ツールの第１実施形態図である。この例において、研磨ツール３２は、弾性研磨ツールであり、剛体部材５２、薄肉研磨部材５４及び弾性容器５６からなる。
剛体部材５２は、剛性の高い例えば金属板であり、ツール昇降装置３４（例えば空圧シリンダ）の昇降部材（例えばシリンダロッドの下端）に、球面継手５１を介して取り付けられ、昇降可能かつ揺動可能に構成されている。
薄肉研磨部材５４は、被研磨面２に追従可能な下面を有する可撓性のポリシャである。
弾性容器５６は、剛体部材５２と薄肉研磨部材５４の間に挟持され、内部に粘弾性媒体５７（例えば流体）を内蔵する。
この構成により、研磨ツール３２を被研磨面２に向けて下降させることで、等方性粘弾性媒体５７を介して薄肉研磨部材５４（ポリシャ）に等方性の圧力を付与し、ポリシャの下面を被研磨面２に追従させ砥粒を伴いながら一定の圧力で被研磨面２を研磨することができる。
【００２８】
図５は、本発明による研磨ツールの第２実施形態図である。この例において、研磨ツール３２は、磁性流体ツールであり、磁場発生部材６２と磁性研磨剤６４とからなる。
磁場発生部材６２は、ツール昇降装置３４（例えば空圧シリンダ）の昇降部材（例えばシリンダロッドの下端）に取り付けられ、磁性体を下面に吸着させる磁場を発生させる。
磁性研磨剤６４は、磁性体粉末（例えば鉄粉、コバルト粉体）、砥粒（例えばダイヤモンド砥粒）、及び適度の粘性を付与するポリマーや油脂などからなる。
この構成により、磁場発生部材６２によりその下面に磁性研磨剤６４を吸着させ、これに含まれる砥粒で被研磨面２を研磨することができる。
本発明においては、いずれの研磨ツールを用いる場合においても、前加工である研削工程で用いた砥粒サイズに比べ、小径の砥粒（例えばサブミクロン）を用いることが望ましい。砥粒としては、例えばダイヤモンド、酸化セリウム、シリカ、ＣＧ、アルミナなどが望ましい。
【００２９】
上述した本発明の装置及び方法によれば、素子位置決め装置１０と非接触計測装置２０（例えば干渉計測装置）を備えるので、素子位置決めステップと非接触計測ステップにおいて、大型光学素子１の被研磨面２を上向きにしてほぼ水平に保持し、被研磨面２の目標値からの誤差を非接触で計測することができ、例えば直径が１〜３ｍの大型セグメントレンズやミラーであっても、短時間に高精度に計測することができる。
また、自走研磨装置３０と研磨制御装置４０を備えるので、部分研磨ステップと研磨制御ステップにおいて、非接触計測装置２０の計測結果に基づき研磨位置を決定して自走研磨装置３０に研磨位置を指令し、自走研磨装置３０を被研磨面に沿って移動して被研磨面を部分的に研磨することができ、被研磨面を計測しながら高精度に研磨することができる。なお、研磨剤により計測精度が低下する場合には、計測と研磨を交互に行ってもよい。
さらにこれらの装置は、例えば直径が１〜３ｍの大型光学素子であっても、大型かつ高精度を必要とする数値制御用のガイドやセンサを必要としないので、製造コストを比較的低く抑えることができる。
本発明により、大型光学素子表面の平均的な粗さ（例えばＲａやｒｍｓ）として１ナノからサブナノレベルを狙い、セグメント全体の形状として１００〜３００ｎｍ近辺の精度までを狙う。
【００３０】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による大型光学素子計測研磨装置の全体構成図である。
【図２】本発明による非接触計測装置の全体構成図である。
【図３】本発明による自走研磨装置の全体構成図である。
【図４】本発明による研磨ツールの第１実施形態図である。
【図５】本発明による研磨ツールの第２実施形態図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  大型光学素子（セグメントミラー）、２  被研磨面（反射面）、
３  レーザー光、４  反射光、５  観測画像（干渉縞）、
１０  素子位置決め装置、２０  非接触計測装置、
２１  レーザー装置、２２  照射光学系、２３  参照素子、
２４  反射光学系、２５  干渉縞観測装置、
３０  自走研磨装置、３２  研磨ツール、
３３  ツールモータ、３４  ツール昇降装置、
３６  自走台車、３６ａ  クローラ装置、３８  受発信装置、
４０  研磨制御装置（コンピュータ）、
５１  球面継手、５２  剛体部材、５４  薄肉研磨部材、
５６  弾性容器、５７  粘弾性媒体、
６２  磁場発生部材、６４  磁性研磨剤
【図１】
2006181662.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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